CN101188459A - 一种光分组格式及其标签和净荷的产生和分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光分组格式及其标签和净荷的产生和与分离系统，解决已有光分组格式传输净荷速率低分离系统复杂，分离不彻底的问题。光分组由净荷信号与标签信号相隔保护时间间隔组成，标准信号关于净荷信号保护时间发明，低速标签信号采用非归零码强度调制，高速信号采用双二进制载波抑制归零码调制，光分组的产生系统由净荷产生单元和标签产生单元组成，光分组的分离系统由光分子器，光带通滤波器和光带阻滤波器，或由光环行器和布拉格光纤光栅组成，在分离出的标签后，采用光电新换器和电低通滤波器进一步抑制净荷信号。

Description

一种光分组格式及其标签和净荷的产生和分离系统

技术领域：

本发明涉及光分组交换技术中分组格式问题，及其相应的标签和净荷的产生和分离问题，属于光纤通信领域。

背景技术：

为了克服波长交换网络中交换粒度太大和解决电子交换过程中的电子瓶颈问题，光分组交换成为未来光网络最理想的交换形式。在光分组交换过程中，网络交换节点处理的对象是光分组。光分组由标签和净荷两部分组成，其中净荷包含了分组的路由信息，净荷承载了需要传输的用户数据。在光分组交换网络中，交换节点需要提取输入分组携带的标签信息，根据标签转发表将分组交换到相应的输出端口，并在输出前，进行标签更新。因此在光域中分离光分组信号中的标签和净荷成为进行光标签识别和更新的前提条件。为了便于实现在光域中分离标签和净荷信号，已提出了许多光分组格式，如比特序列标签，光正交码标签，正交调制光分组格式和副载波标签。其中比特序列和光正交码的标签分离，需要高速和准确的电子处理技术，正交调制光分组格式存在信号干扰严重和分离过程复杂的缺点。副载波标签由于标签和净荷分布在不同的频谱位置上，是最利于实现分离的一种光分组格式。但标签所在副载波调制要求调制器具有很高的调制线性度，并且副载波频率限制了所能传输的最高净荷速率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种非归零码调制的标签信号和采用双二进制载波抑制归零码调制的净荷信号在频谱上分离的光分组格式。

本发明的另一个目的是提供一种分组信号的净荷传输速率高，标签和净荷的分离方法简单的标签和净荷的产生和分离系统。

本发明是这样实现的：

本发明一种光分组格式，由净荷信号与标签信号相隔保护时间间隔组成，标签信号先于净荷信号保护时间发送，低速标签信号采用非归零码强度调制，高速净荷信号采用双二进制载波抑制归零码强度调制。

系统由净荷产生单元3和标签产生单元4组成，净荷产生单元3有时钟脉冲产生单元6和双二进制净荷产生单元7，半导体激光器1的输出经光分束器2分为两路，时钟脉冲产生单元6输入的时钟电信号以正相和反相同时输入第一光调制器对光分束器2输出的一路光进行抑制载波的归零码调制，使相邻脉冲载波相位以0°和180°交替变化，双二进制净荷产生单元7输入的高速非归零码电信号和延迟一个净荷比特的反馈信号输入异或门10，其输出信号以正相和反相分别输入第一、二低通滤波器12、13，第一、二低通滤波器12、13输出的双二进制信号接第二光调制器的双端，对第一光调制器输出的时钟脉冲信号进行调制，输出为双二进制载波抑制的归零码净荷信号，第二光调制器输出的双二进制载波抑制归零码净荷信号经光纤延迟线输入光耦合器5，低速非归零码标签电信号输入第三光调制器对光分束器2输出的另一路光进行强度调制，输出非归零码调制的标签信号，第三光调制器的输出接光耦合器5的输入端，光耦合器5的输出接传输光纤。

第一、二光调制器为双端驱动马赫-曾德调制器，第三光调制器为单端或双端驱动马赫-曾德调制器。

时钟电信号为正弦波信号，正弦波的频率为非归零码净荷电信号传输速率的一半，第一光调制器的偏置电压和正弦波信号的峰值电压均为半波电压，时钟脉冲产生单元的输出是前后脉冲光场相位在0°和180°交替变化，速率为非归零码净荷电信号速率的归零码时钟光脉冲。

第一、二低通滤波器为余弦低通滤波器，其传递函数为：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}2T\cos (\mathrm{\&omega;T}/2)& \left|\mathrm{\&omega;}\right|<\mathrm{\&pi;}/T\\ 0& \left|\mathrm{\&omega;}\right|>\mathrm{\&pi;}/T\end{array}\right.$

其中ω为角频率，T为净荷信号的比特时间宽度，第二马赫-曾德调制器MZ2的偏置电压和第一、二低通滤波器12、13输出的双二进制净荷信号的正负电平幅度均为半波电压，光耦合器5输出的分组信号中的标签信号的光功率谱处于半导体激光器1的中心波长附近，净荷信号的光功率谱处于中心波长两边，且与标签信号的光功率谱不重叠。

光分组经传输光纤连接分离系统的第二光分束器14后分别输入中心频率为光波频率的光带通滤波器15和光带阻滤波器16分别输出标签信号和净荷信号。

电低通滤波器19的3dB带宽为标签信号的传输速率，光带通滤波器的3dB带宽小于净荷信号的传输速率。

光分组经传输光纤连接分离子系统的光环形器17后输入到布拉格光纤光栅20，布拉格光纤光栅的中心波长为半导体激光器1光波波长，带宽大于标签信号传输速率，布拉格光纤光栅的反射信号经过光环行器17输出为标签信号，布拉格光纤光栅的透射信号为净荷信号。

光环行器17输出的标签信号接光电转换器18的输入、光电转换器18的输出接电低通滤波器19使所含的净荷信号进一步被抑制。

光带通滤波器15输出的标签信号经光电转换器18输入电低通滤波器19使所含的净荷信号进一步被抑制。

本发明的光分组格式为标签采用非归零码(Nonreturn-to-Zero，NRZ)调制和净荷采用双二进制载波抑制归零码(DuobinaryCarrier-Suppressed Return-to-Zero，DCS-RZ)调制的光分组调制格式。光分组的产生包括DCS-RZ调制的标签和NRZ调制的净荷两部分。采用光滤波器或者光滤波器辅助电滤波器的方法来分离光分组的标签和净荷。本发明将标签信号调制到光功率谱的低频部分，将净荷调制到光功率谱中高频位置，克服了副载波光分组格式对净荷速率的限制。低速的标签信号采用NRZ调制，高速的净荷信号采用DCS-RZ调制，提高了整个分组信号的传输能力。标签和净荷的分离方法简单，避免了实时高速的信号处理。

附图说明：

图1为产生NRZ调制标签和DCS-RZ调制净荷的光分组的原理图。

图2为时域上的光分组格式。

图3为光分组信号的光功率谱。

图4为采用光滤波器分离标签和净荷的工作原理图。

图5为采用布拉格光纤光栅分离标签和净荷的工作原理图。

图6为通过光带通滤波器提取出标签信号的时域波形。

图7为通过光带阻滤波器提取出净荷信号的时域波形。

图8为电滤波器辅助光滤波器提取标签信号的的工作原理图。

图9为光滤波器提取的标签信号的时域波形。

图10为经过电滤波器提取的标签信号时域波形。

具体实施方式：

本发明的目的在于采用新型的分组调制格式，实现光分组信号中的标签和净荷信号的快速分离，以便于在光分组交换系统中对标签信号进行处理和对净荷信号进行交换。

为了实现这样的目的，本发明的光分组调制格式中低速的标签信号采用NRZ调制和高速的净荷信号采用DCS-RZ调制。由于DCS-RZ调制的净荷信号的光功率谱在低频附近没有分布，而NRZ调制的净荷信号的光功率谱正好分布在低频附近，使得标签信号和净荷信号的频谱没有重叠，因此可以在频域上采用光滤波器进行标签和净荷的分离。

光分组产生系统分为标签产生单元和净荷产生单元两部分。半导体激光器输出的连续波光信号被光分支器分成两部分后，分别输入标签产生单元和净荷产生单元。标签产生单元采用马赫-曾德调制器，在低速标签信号的驱动下对连续波信号进行强度调制。净荷产生单元包括CS-RZ时钟脉冲产生单元和双二进制信号产生单元两部分。CS-RZ时钟脉冲产生单元采用净荷信号半速率的正弦波时钟信号在双端驱动的马赫-曾德调制器上对输入净荷产生单元的连续波信号进行抑制载波的归零码强度调制，输出的抑制载波归零码时钟脉冲输入到双二进制信号驱动的双端驱动的马赫-曾德调制器上。双二进制信号产生单元将归零码的净荷信号转换为双二进制信号驱动双端驱动的马赫-曾德调制器，对输入的抑制载波归零码时钟脉冲进行调制，调制后的DCS-RZ净荷信号经过光纤延迟线延迟保护间隔后输出。

在标签和净荷分离系统中，采用中心频率为光波频率的带通滤波器对标签信号进行提取；采用中心频率为光波频率的带阻滤波器对净荷信号进行提取。

本发明的关键特征

(1)本发明的光分组调制格式中，采用NRZ调制的标签信号和采用DCS-RZ调制的净荷信号在频谱上是分离的，这便于利用光滤波器进行标签和净荷的分离。

(2)本发明中，NRZ调制的标签信号先于DCS-RZ调制的净荷信号保护时间发送，因此标签信号和净荷信号在时间上不重叠。即使在采用光滤波器分离标签和净荷的过程中，滤波器对需要滤除信号的抑制不够，也不会造成标签信号和净荷信号的干扰。

(3)本发明的光分组调制格式适合与长距离光纤传输。高速的净荷信号采用DCS-RZ调制有利于克服光纤传输过程中的非线性效应和色散的影响；而NRZ调制的标签信号由于是低速信号，受光纤传输中的非线性和色散影响不严重。

(4)本发明采用光滤波器来分离标签和净荷信号。由于NRZ调制的标签信号位于光波频率附近，可以采用中心波长为光波波长，带宽比标签速率略高的带通滤波器来提取出标签信号。由于DCS-RZ调制的净荷信号的频谱略微远离光波波长，可以采用中心波长为光波波长的带阻光滤波器来提取净荷信号。在采用布拉格光纤光栅进行标签和净荷的分离时，光纤光栅的设计波长为光信号波长，反射信号为标签信号，透射信号为净荷信号。

(5)本发明为了降低对提取标签信号的带通滤波器的带宽要求，可采用光滤波器结合电滤波器来实现对标签信号的提取。

(6)本发明和副载波标签方案相比，消除了对净荷最高传输速率的限制。

以下结合附图对本发明的技术方案作经一步描述。

如图1所示光分组的产生由NRZ调制标签产生单元4和DCS-RZ调制净荷产生单元3两部分组成。半导体激光器1产生的连续光波经过光分束器2分别输入到NRZ调制标签产生单元4和DCS-RZ调制净荷产生单元3。在标签产生单元4用NRZ标签信号驱动马赫-曾德调制器MZ3对输入的连续光波信号进行强度调制。净荷产生单元3由CS-RZ时钟脉冲产生单元6和双二进制信号产生单元7两部分组成。CS-RZ时钟脉冲产生单元6由半速正弦波时钟信号驱动双端马赫-曾德调制器MZ1对输入的连续光波信号进行强度调制。这里的半速指的是正弦波的时钟频率为净荷传输速率的一半。马赫-曾德调制器MZ1的偏置电压为半波电压，即偏置到调制曲线的波谷位置，时钟信号的电压幅度为半波电压。由CS-RZ时钟脉冲产生单元6输出的是前后脉冲光场相位在0和180°交替变化，速率为净荷速率的归零码时钟光脉冲。该时钟光脉冲输入到马赫-曾德调制器MZ2中。在双二进制信号产生单元7中，NRZ净荷信号经过反向后，和异或门延迟一比特的反馈信号进行异或，异或门的输出转换为差分输出后，经过余弦低通滤波器变成双二进制信号驱动双端驱动马赫-曾德调制器MZ2。其中余弦低通滤波器的传递函数为：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}2T\cos (\mathrm{\&omega;T}/2)& \left|\mathrm{\&omega;}\right|<\mathrm{\&pi;}/T\\ 0& \left|\mathrm{\&omega;}\right|>\mathrm{\&pi;}/T\end{array}\right.$

滤波器的特性可由传递函数来描述，h(t)和H(ω)两者一个是时域表达式，一个是频域表达式，两者是等价的。

设输入信号为s(t)(可为电流信号或电压信号)，其频谱为S(ω)；经过传递函数后的输出信号为q(t)其频谱为Q(ω)；它们之间的关系为：

q(t)＝s(t)*h(t)其中*表示卷积；

Q(ω)＝S(ω)·H(ω)其中·表示乘积。

H(ω)的物理意义在于，对于一输入信号的某一频率分量ω₀，其通过率为H(ω₀)的幅度值，相位变化为H(ω₀)的相位值。

马赫-曾德调制器MZ2的偏置电压为调制器半波电压，双二进制信号的正负电平幅度为半波电压。经马赫-曾德调制器MZ2调制输出的DCS-RZ净荷信号经过光纤延迟线相对NRZ标签信号延迟保护时间后经过光耦合器输出。

如图2所示为产生的分组信号在时域上的波形。NRZ调制的低速标签信号处于分组信号的前部，DCS-RZ调制的高速净荷信号处于分组信号的后部，之间有保护间隔隔开。由于标签信号所含的路由信息少，且为了便于在电域对标签信号进行实时处理，因此标签信号可采用对较低的传输速率，而净荷信号在交换过程中为做任何处理而是透明的通过，因此净荷信号可以采用相对较高的传输速率。此外，净荷信号和标签信号的传输速率差距越大，则净荷信号和标签信号的光功率谱重叠的越小，越利于两者的分离。对现有的光纤通信技术而言，标签信号的传输速率小于2.5Gb/s，净荷信号的传输速率可大于40Gb/s。

如图3所示为产生的分组信号的光功率谱。NRZ调制的标签信号的光功率谱处于中心波长附近，DCS-RZ调制的净荷信号的光功率谱处于中心波长两边，且与标签信号不重叠。

如图4所示光分组信号经过光分支器后分别输入中心波长和光波波长对应的光带通滤波器和光带阻滤波器。光带通滤波器的通带带宽和光带阻滤波器的阻带带宽略大于标签信号传输速率。光分组信号经过光带通滤波器后，净荷信号的光功率谱被抑制，因此提取出了标签信号。光分组信号经过光带阻滤波器后，标签信号的光功率谱被抑制，因此提取出了净荷信号。

如图5所示为采用布拉格光纤光栅分离标签和净荷的工作原理图。布拉格光纤光栅的中心波长为光波波长，带宽略大于标签信号传输速率。光分组信号经过光环行器后输入到布拉格光纤光栅。布拉格光纤光栅的反射信号经光环行器后，输出标签信号。布拉格光纤光栅的透射信号为净荷信号。

如图6所示为2.5Gb/s的NRZ调制标签信号和40Gb/s DCS-RZ调制净荷信号经过3dB带宽为10GHZ的高斯型光带通滤波器提取出的标签信号波形。标签信号和净荷信号的功率对比度为13.95dB。

如图7所示为2.5Gb/s的NRZ调制标签信号和40Gb/s DCS-RZ调制净荷信号经过3dB阻带带宽为40GHZ的高斯型光带阻滤波器提取出的净荷信号波形。净荷信号和标签信号的功率对比度为17.5dB。

如图8所示为光分组信号首先经过带宽相对标签传输速率大的光带通滤波器，由于光带通滤波器的的带宽不够窄，使得净荷信号并没有完全被抑制。将光带通滤波器输出光信号经过光电转换后，输入到带宽为标签传输速率的低通滤波器，使净荷信号进一步被抑制，从而提高标签信号和净荷信号的功率对比度。通过电滤波器的辅助，可以降低对光带通滤波器带宽很窄的要求。

如图9所示为2.5Gb/s的NRZ调制标签信号和40Gb/s DCS-RZ调制净荷信号经过3dB带宽为40GHZ的高斯型光带通滤波器提取出的标签信号波形。标签信号和净荷信号的功率对比对为2dB，净荷信号没有完全被抑制。

如图10所示为图9中3dB带宽为40GHZ的高斯型光带通滤波器的信号经过光电转换和3dB带宽为2GHz的电低通滤波器后的信号波形。标签信号和净荷信号的功率对比对为6dB，净荷信号被进一步抑制了。

Claims (10)

1.一种光分组格式，由净荷信号与标签信号相隔保护时间间隔组成，标签信号先于净荷信号保护时间发送，其特征在于低速标签信号采用非归零码强度调制，高速净荷信号采用双二进制载波抑制归零码强度调制。

2.光分组格式的标签和净荷的产生系统，其特征在于系统由净荷产生单元(3)和标签产生单元(4)组成，净荷产生单元(3)有时钟脉冲产生单元(6)和双二进制净荷产生单元(7)，半导体激光器(1)的输出经光分束器(2)分为两路，时钟脉冲产生单元(6)输入的时钟电信号以正相和反相同时输入第一光调制器对光分束器(2)输出的一路光进行抑制载波的归零码调制，使相邻脉冲载波相位以0°和180°交替变化，双二进制净荷产生单元(7)输入的高速非归零码电信号和延迟一个净荷比特的反馈信号输入异或门(10)，其输出信号以正相和反相分别输入第一、二低通滤波器(12、13)，第一、二低通滤波器(12、13)输出的双二进制信号接第二光调制器的双端，对第一光调制器输出的时钟脉冲信号进行调制，输出为双二进制载波抑制的归零码净荷信号，第二光调制器输出的双二进制载波抑制归零码净荷信号经光纤延迟线输入光耦合器(5)，低速非归零码标签电信号输入第三光调制器对光分束器(2)输出的另一路光进行强度调制，输出非归零码调制的标签信号，第三光调制器的输出接光耦合器(5)的输入端，光耦合器(5)的输出接传输光纤。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于第一、二光调制器为双端驱动马赫-曾德调制器，第三光调制器为单端或双端驱动马赫-曾德调制器。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于时钟电信号为正弦波信号，正弦波的频率为非归零码净荷电信号传输速率的一半，第一光调制器的偏置电压和正弦波信号的峰值电压均为半波电压，时钟脉冲产生单元的输出是前后脉冲光场相位在0°和180°交替变化，速率为非归零码净荷电信号速率的归零码时钟光脉冲。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于第一、二低通滤波器为余弦低通滤波器，其传递函数为：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}2T\cos (\mathrm{\&omega;T}/2)& \left|\mathrm{\&omega;}\right|<\mathrm{\&pi;}/T\\ 0& \left|\mathrm{\&omega;}\right|>\mathrm{\&pi;}/T\end{array}\right.$

其中ω为角频率，T为净荷信号的比特时间宽度，第二马赫-曾德调制器MZ2的偏置电压和第一、二低通滤波器(12、13)输出的双二进制净荷信号的正负电平幅度均为半波电压，光耦合器(5)输出的分组信号中的标签信号的光功率谱处于半导体激光器(1)的中心波长附近，净荷信号的光功率谱处于中心波长两边，且与标签信号的光功率谱不重叠。

6.光分组格式的标签和净荷的分系统，其特征在于光分组经传输光纤连接分离系统的第二光分束器(14)后分别输入中心频率为光波频率的光带通滤波器(15)和光带阻滤波器(16)分别输出标签信号和净荷信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于电低通滤波器(19)的3dB带宽为标签信号的传输速率，光带通滤波器的3dB带宽小于净荷信号的传输速率。

8.光分组格式的标签和净荷的分离系统，其特征在于光分组经传输光纤连接分离子系统的光环形器(17)后输入到布拉格光纤光栅(20)，布拉格光纤光栅的中心波长为半导体激光器(1)光波波长，带宽大于标签信号传输速率，布拉格光纤光栅的反射信号经过光环行器(17)输出为标签信号，布拉格光纤光栅的透射信号为净荷信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于光环行器(17)输出的标签信号接光电转换器(18)的输入、光电转换器(18)的输出接电低通滤波器(19)使所含的净荷信号进一步被抑制。

10.根据权利要求7或9所述的系统，其特征在于光带通滤波器(15)输出的标签信号经光电转换器(18)输入电低通滤波器(19)使所含的净荷信号进一步被抑制。

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